一种摩擦试验-用于研究滑膜关节生物力学、机械生物学和物理调节的生物反应器装置
2022年6月2日
本方案描述了一种摩擦测试装置，该装置将同时相互滑动和正常载荷施加到两个接触的生物配合面上。
传统上，我们使用测试仪来研究非活组织以计算摩擦系数，但我们正在显着扩展测试仪测试活组织和评估生物相互作用的能力。摩擦测试设备向活组织外植体的接触表面提供相互平移运动和压缩载荷。该设备是模块化的，允许测试各种生物配合面。
该方法可以深入了解摩擦力如何影响活软骨和滑膜的机械和机械生物学反应，这可能导致维持关节健康的新策略。从收获幼牛滑膜开始。使用手术刀刀片，追踪感兴趣的滑膜区域的轮廓。
使用镊子，抓住滑膜的一端，轻轻抬起，将滑膜拉伸到下面的骨头远端。使用手术刀刀片从骨头上取下滑膜，并将组织置于适当的培养基或测试浴液中。然后将胫骨固定在可调节的支架中来收获幼牛软骨。
小心地去除半月板，同时避免与软骨表面接触。在胫骨平台的外缘，使用箱形切割器垂直于软骨向骨切。完全切开软骨，使边缘或侧面笔直。
去除多余的组织。在外边缘，使用箱形切割器在骨骼和软骨之间的界面处进行干净的切割。要从平台表面移除胫骨条，请在切口下方轻轻插入平头螺丝刀，然后轻轻旋转以松开软骨下骨的关节软骨。
当样品松动时，慢慢向前推动螺丝刀，直到软骨条从骨头上脱落。确保将螺丝刀推向骨头，而不是软骨。使用箱形切割机切割胫骨平台表面以产生所需尺寸和厚度的矩形样品。
将组织置于适当的培养基或测试浴液中。如果胫骨条用作底部配合面，请取下可拆卸的磁性底座，并将直径为60毫米的培养皿粘附到可拆卸底座的顶面。将培养皿粘合到位后，将分离的底座连接到固定底座上，并标记培养皿以指示滑动方向。
将少量氰基丙烯酸酯涂抹在盘子的中心。将胫骨条与载物台的滑动方向对齐。将软骨条轻轻按压在盘子上。
在摩擦测试仪中将可拆卸磁基恢复到其成对的固定底座。用所需的测试浴溶液填充培养皿。如果将滑膜用作顶部配合面，请从摩擦试验机上取下加载压板和支撑杆。
将滑膜放在圆形压板的顶部。为了固定滑膜，在其周围展开一个O形圈。使用镊子，轻轻拉动滑膜，将组织绷紧并平放在O形圈下方。
用手术剪刀修剪多余的组织。将装载压板和支撑杆恢复到摩擦测试仪上。调整装载压板的垂直高度，使滑膜悬停在底部配合面上并浸没在测试槽中。
将安装的试样插入摩擦测试仪设备。打开 模拟 数据 生成 MF DAQ。在程序中初始化加载 PID 并触发动态调用方窗口。
运行 模拟 数据 生成 MF DAQ 并 通过 按 运行 按钮 来 初始化 加载 PID 窗口。导航到"触发动态调用方"窗口中的"步进器"选项卡。在用户输入框中指定转换阶段的加速度、速度和距离。
若要输入测试持续时间，请单击"时间状态"表右下角的"打开文件夹"按钮，然后选择"步进时间索引"文件路径。然后在"音圈"选项卡中再次指定测试持续时间。通过单击"时间状态"表右下角的"打开文件夹"按钮选择音圈索引文件路径，然后选择文件。
无论是否使用音圈，都必须执行此操作。应用正常载荷。如果使用自重，请将所需的砝码放在载荷压板上方的直线轴承上。
确保施加的载荷加上装卸板和支撑杆的重量不超过称重传感器的额定容量。使用"文件权限"框右侧的"打开文件夹"按钮选择数据存储的路径和文件名。保存扩展名为 txt 的文件。
将底部配合面置于顶部配合面下方的中心，并将其设置为零 X 位置。为此，请按"运行"按钮运行"触发器动态调用方"窗口。在"步进"选项卡中，单击"主页"按钮将载物台移动到上次保存的零X位置。
如果配合面未对齐，请通过单击绿色的向左和向右箭头按钮来移动舞台。到达所需位置后，单击零按钮将当前舞台位置另存为新的零 X 位置。通过单击"停止"按钮停止"触发器动态调用方"窗口。
一旦顶部和底部配合面居中，通过启动载物台的循环运动来启动样品的摩擦测试。一旦舞台移动，慢慢地使顶部配合面与底部接触。让测试运行，收集摩擦测试数据。
在所需的测试持续时间之后，通过按下"停止"按钮停止测试，并通过抬起顶部配合面并将其与底部配合面脱离接触来卸载试样来停止测试。使用自定义代码计算每个周期的摩擦系数和迟滞。确保单个文件夹包含所有相关文件。
打开"摩擦循环"运行。m 文件。单击脚本中的"运行"按钮。
选择要分析的原始数据文件和所需的保存位置。摩擦系数和滞后图将由 MATLAB 输出。软骨上的滑膜配置用于摩擦测试幼年牛外植体，其中滑膜安装在直径为10毫米的丙烯酸加载压板上，使得内膜层与下面的软骨接触。
胫骨条用作软骨对抗面。根据每个往复循环中FT的平均值除以FN计算有效摩擦系数，然后根据测试持续时间绘制，得出摩擦系数随时间的关系图。对于每个测试，摩擦系数值在整个测试中取平均值。
在PBS测试浴中，平均摩擦系数值随着接触应力的增加而增加。相反，随着牛滑液浴中接触应力的增加，平均摩擦系数值保持不变。请记住在接触表面之前开始收集载荷数据。
这确保了可以计算出适当的皮重。可以在测试之前和之后评估组织和润滑浴组件，以评估给定实验方案赋予的生物变化。
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概述
本方案描述了一种摩擦测试装置，旨在评估活体生物组织之间的相互作用。该装置可对两个接触的生物对偶表面同时施加往复滑动和法向载荷，从而将其应用范围扩展至活体组织。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物力学
- 生物材料
- 关节健康
背景
- 传统的摩擦测试主要集中在非活体组织上。
- 理解摩擦力对关节健康至关重要。
- 活体组织相较于非活体组织表现出不同的力学特性。
- 该设备具有模块化设计，可测试多种生物对磨面。
研究目的
- 评估活体组织中的摩擦相互作用。
- 评价软骨和滑膜的力学及力学生物学响应。
- 制定维持关节健康的有效策略。
使用的方法
- 采集幼龄牛的滑膜组织。
- 使用手术刀标记目标区域。
- 施加往复平移运动和压缩载荷。
- 使用模块化装置测试多种生物对磨面。
主要结果
- 该设备成功测试了活体组织外植体。
- 获得了关于影响活体组织的摩擦力的新见解。
- 确定了关节健康维护的潜在新策略。
结论
- 摩擦测试装置有助于加深对生物相互作用的理解。
- 它为关节健康相关研究提供了平台。
- 未来的研究可能带来关节相关疾病治疗方案的改进。
常见问题
行业应用价值
对活体滑膜和软骨组织外植体进行定量摩擦测试，可通过在生理载荷条件下直接测量生物力学和力生物学反应，填补了早期肌肉骨骼靶点验证中的关键空白。该能力有助于提升关节健康研究的预测可信度，并为骨关节炎及相关疾病模型的风险评估优化推进提供依据。模块化生物反应器平台将摩擦力定量测定确立为可用于整个研究组合的可重复利用资源，以支持机制性风险排除和检测方法开发。
生物制药研发中的策略性应用
早期发现与靶点验证
- 能够在关节健康研究中直接验证组织层面的生物力学假说。
- 通过量化摩擦效应对活体软骨和滑膜的影响，支持作用机制层面的风险评估。
- 通过可控且符合生理条件的加载方案，促进功能靶点的验证。
- 为润滑剂与组织反应的比较研究提供平台。
筛选与检测方法开发
- 为活体组织外植体提供标准化、可重复的摩擦系数测量。
- 制备经过验证的生物系统，用于后续润滑剂或治疗候选物的筛选。
- 实现对每次循环的摩擦系数和滞后回线等检测输出指标的定量评估。
- 支持多种关节组织构型的可扩展性和模块化适配。
转化与临床前研究
- 与骨关节炎和关节退变相关的生物力学模型相一致。
- 支持从发现阶段的机制研究连续过渡到干预措施的临床前验证。
- 支持在测试前后对组织和润滑环境中的生物学变化进行评估。
- 提供预测性数据，以指导关节健康研究中转化生物标志物策略的制定。
流程与工作流整合
这种摩擦测试生物反应器通过实现假设驱动的生物力学研究、检测方法开发以及关节组织研究的转化模型验证，融入了从发现到临床前研究的连续过程。
- Discovery Biology: 在受控载荷条件下支持对活体关节组织摩擦效应的零假设检验。
- Screening: 提供可重复的定量摩擦系数输出，用于检测方法的标准化。
- Analytics: 生成时间分辨的摩擦力和滞后曲线，用于不同条件间的比较分析。
- Translational Research: 将机制性研究结果与关节疾病临床前模型及干预测试相衔接。
- Enterprise Reuse: 提供模块化且可适应的平台，适用于多种关节组织类型和实验方案的重复使用。
运营与企业影响
- 科学价值：提高关节生物力学研究的预测可信度，降低机制上的模糊性。
- 操作价值：标准化摩擦测试工作流程，实现可重复、可扩展的数据生成。
- 战略价值：为关节健康靶点和干预措施的决策提供依据，提升资本使用效率。
- 项目组合影响：支持对疾病相关模型和候选疗法进行风险调整后的优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备组织采集、生物力学测试和数据分析方面的专业知识。
- 需要配备模块化摩擦测试仪器及分析软件（例如 MATLAB）。
- 要求跨团队统一组织制备和加载方案的标准。
- 通过模块化组件，可适用于多种关节组织类型和润滑环境。
- 实际限制因素包括力传感器的量程以及长时间测试过程中组织的活性维持。
